Nano-based Materials for Environmental Soil Remediation due to Noxious Transition Metals Removal: Structural, Electromagnetic and Thermodynamic Analysis by DFT Outlook

Editorial Board PCSS Journal; Фатеме Моллаамін

doi:10.15330/pcss.26.4.833-843

Автор(и)

Фатеме Моллаамін Кафедра біомедичної інженерії, Інженерно-архітектурний факультет, Університет Кастамону, Кастамону, Туреччина

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.4.833-843

Ключові слова:

забруднення ґрунтів, B₅N₁₀-nc, молекулярне моделювання, наноматеріал, DFT

Анотація

Метою дослідження є видалення з ґрунту перехідних металів Cr, Mn, Fe, Zn, W, Cd з використанням наноматеріалу на основі нітриду галію — наноклітки B₅N₁₀ (B₅N₁₀-nc). Електромагнітні та термодинамічні характеристики токсичних перехідних металів, захоплених у B₅N₁₀-nc, описано за допомогою методів комп’ютерного моделювання матеріалів. Досліджено поведінку процесу захоплення іонів Cr, Mn, Fe, Zn, W, Cd нанокліткою B₅N₁₀-nc з метою сенсорного виявлення катіонів металів у ґрунті. Структуру B₅N₁₀-nc було змодельовано у присутності перехідних металів (Cr, Mn, Fe, Zn, W, Cd), а характеризацію систем проведено методом теорії функціонала густини (DFT). Ковалентна природа зв’язків у відповідних комплексах продемонструвала подібність енергетичних рівнів і характер часткової густини електронних станів між p-станами бору та азоту у B₅N₁₀-nc і d-станами Cr, Mn, Fe, Zn, W, Cd у комплексах X↔B₅N₁₀-nc. Крім того, аналіз ядерного магнітного резонансу (ЯМР) виявив виражені піки навколо атомів Cr, Mn, Fe, Zn, W, Cd у процесі їх захоплення B₅N₁₀-nc під час детектування та вилучення з ґрунту; водночас спостерігаються певні флуктуації у хімічному екрануванні ізотропних та анізотропних тензорів. На основі отриманих результатів встановлено селективність адсорбції токсичних металів, металоїдів і неметалів нанокліткою B₅N₁₀-nc (атомний сенсор) у такому порядку: Cd > Zn > Fe > Cr > Mn ≈ W. У роботі запропоновано використовувати системи з адсорбованими токсичними металами, металоїдами та неметалами для проєктування та розширення оптоелектронних характеристик B₅N₁₀-nc з метою створення фотоелектричних приладів для очищення ґрунтів.

Посилання

Changfeng Li, et el., A Review on Heavy Metals Contamination in Soil: Effects, Sources, and Remediation Techniques. Soil and Sediment Contamination: An International Journal, 28 (4), 380 (2019); https://doi.org/10.1080/15320383.2019.1592108.

Z. He, et el., Heavy Metal Contamination of Soils: Sources, Indicators, and Assessment, Journal of Environmental Indicators, 9, 17 (2015).

risk assessment of mercury in kindergarten dust. Atmos. Environ. 73, 169 (2013); https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2013.03.017.

G.Y. Sun, et el., Geochemical assessment of agricultural soil: A case study in Songnen-Plain (Northeastern China). Catena, 111, 56 (2013);. https://doi.org/10.1016/j.catena.2013.06.026.

O. Morton-Bermea, et el., Assessment of heavy metal pollution in urban topsoils from the metropolitan area of Mexico City. J. Geochem. Explor. 101, 218(2009); https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2008.07.002.

K. Ji, et al. Assessment of exposure to heavy metals and health risks among residents near abandoned metal mines in Goseong, Korea. Environ. Pollut. 178, 322 (2013); https://doi.org/10.1016/j.envpol.2013.03.031.

S. Kim, et el., The effect of exposure factors on the concentration of heavy metals in residents near abandoned metal mines. J. Prev. Med. Public Health, 44, 41(2011); https://doi.org/10.3961/jpmph.2011.44.1.41.

G.V. Motuzova, et el., Soil contamination with heavy metals as a potential and real risk to the environment, Journal of Geochemical Exploration, 144, Part B, 241 (2014); https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2014.01.026.

N.H. Al-Makishah, M.A. Taleb, & M.A. Barakat, Arsenic bioaccumulation in arsenic-contaminated soil: a review. Chem. Pap., 74, 2743 (2020); https://doi.org/10.1007/s11696-020-01122-4.

Giovana Poggere, et el., Soil contamination by copper: Sources, ecological risks, and mitigation strategies in Brazil, Journal of Trace Elements and Minerals, 4, 100059 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jtemin.2023.100059.

Miao Jiang, et el., Technologies for the cobalt-contaminated soil remediation: A review, Science of The Total Environment, 813, 151908 (2022); https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151908.

Evandro B. da Silva, et el., Background concentrations of trace metals As, Ba, Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Se, and Zn in 214 Florida urban soils: Different cities and land uses, Environmental Pollution, 264, 114737 (2010); https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114737.

F. Mollaamin, Features of parametric point nuclear magnetic resonance of metals implantation on boron nitride nanotube by density functional theory/electron paramagnetic resonance. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 11(11), 2393 (2014); https://doi.org/10.1166/jctn.2014.3653.

F. Mollaamin, et el., Computational Modelling of Boron Nitride Nanosheet for Detecting and Trapping of Water Contaminant. Russ. J. Phys. Chem. B, 18, 67 (2024); https://doi.org/10.1134/S1990793124010330.

R.S. Bangari, et el., Fe3O4-functionalized boron nitride nanosheets as novel adsorbents for removal of arsenic(III) from contaminated water. ACS Omega, 5 (18) 10301 (2020); https://doi.org/10.1021/acsomega.9b04295.

G. Henkelman, A. Arnaldsson, and H Jónsson, A fast and robust algorithm for Bader decomposition of charge density, Computational Materials Science 36(3), 354(2006); https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2005.04.010.

J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett., 77, 3865 (1996); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865.

W. Kohn, L. J. Sham, Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects. Phys. Rev., 140, A1133(1965); https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133.

C. Lee, W. Yang, R.G. Parr, Development of the Colle–Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys Rev B, 37,785 (1988); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785.

Takeshi Yanai, David P Tew, Nicholas C Handy, A new hybrid exchange–correlation functional using the Coulomb-attenuating method (CAM-B3LYP), Chemical Physics Letters, 393 (1–3), 51 (2004); https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.06.011.

S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieg, A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu, J Chem Phys. 132(15),154104 (2010); https://doi.org/10.1063/1.3382344.

S. Grimme, S. Ehrlich, L. Goerigk, Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J Comput Chem, 32(7), 1456 (2011); https://doi.org/10.1002/jcc.21759.

M.J. Frisch, et al. Gaussian 16, Revision C.01, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016.

Dennington, Roy; Keith, Todd A.; Millam, John M., GaussView, Version 6.06.16, Semichem Inc., Shawnee Mission, KS, (2016).

V.K. Ahluwalia, Nuclear Quadrupole Resonance (NQR) Spectroscopy. In: Instrumental Methods of Chemical Analysis. Springer, Cham. (2023); https://doi.org/10.1007/978-3-031-38355-7_30.

Young, Hugh A., Freedman, Roger D. Sears and Zemansky's University Physics with Modern Physics (13th ed.). Boston: Addison-Wesley. 754, (2012);

I.P. Gerothanassis, T. Kupka, New Insights into Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy. Molecules, 30, 1500 (2025); https://doi.org/10.3390/molecules30071500.

M.T. Caccamo, et el., Infrared spectroscopy analysis of montmorillonite thermal effects. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 777, 012002 (2020); https://doi.org/10.1088/1757-899X/777/1/012002.